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gebaut aus elektrisch positiv geladenen Protonen p
C
mit der
Einheitsladung
C
e und elektrisch neutralen Neutronen n na-
hezu gleicher Ruhemasse (Proton: m
p
D 1;6725 10
27
kg;
Neutron: m
n
D 1;6748 10
27
kg). Die Anzahl Z der Pro-
tonen und die Relativmasse A (bezogen auf 1/12 der Masse
des Kohlenstoffisotops
12
C) werden für die Kerne der unter-
schiedlichen Elemente alternativ in folgenden Schreibweisen
angegeben:
im gesamten Kern, Erstere jedoch nur zwischen benachbar-
ten Protonen und Neutronen.
Um dem Zerfallen aufgrund der coulombschen Absto-
ßung entgegenzuwirken, besitzen alle Kerne mit Z
>20
einen Überschuss an Neutronen. Dies vermindert den Ab-
stoßungseffekt durch Vergrößerung des Protonenabstandes.
Kerne mit einer größeren Ladungszahl als der von Blei
fallen spontan und radioaktiv, d. h. unter Abstrahlung von
Elementarteilchen und anderer Strahlung. Die wichtigsten
Strahlungsarten und radioaktiven Zerfälle, die allesamt sto-
chastische Prozesse darstellen, sind
'
-,
“
- und
”
-Strahlung:
-
<
A
W
Massenzahl (Anzahl von Neutro-
nen und Protonen im Atomkern)
bzw. Atomgewicht (normiert auf
1/12 des Kohlenstoffisops
12
C)
Z
W
(Kern-)Ladungszahl bzw. Ord-
nungszahl im periodischen
System
A
D
Z
C
Anzahl an Neutronen
(oft entfällt die Angabe von Z)
Z
Element,
oder
A
Element
Z
,
oder
A
Element
'
-Strahlung: Emissionen von Heliumkernen
2
H, beste-
hend aus je zwei Protonen und Neutronen (A
D 4
,Z
D 2
).
Dieser Zerfall vermindert die Massenzahl um vier und die
Ladungszahl um zwei;
:
“
-Strahlung: Emission von Elektronen e
mit negati-
ver Einheitsladung durch Umwandlung eines Neutrons
in ein Proton und ein Elektron. Das Elektron wird so-
fort mit dem elektrisch
n
eutralen und nahezu masselosen
Elektron-Antineutrino v
e
emittiert. Dieser Zerfall erhöht
die Ladungszahl um eins und belässt die Massenzahl un-
verändert:
-
Ein Beispiel ist Kohlenstoff
1
6
C mit jeweils 6 Protonen und
Neutronen. Im elektrisch neutralen Zustand ist der Kern
von Elektronen mit der negativen elektrischen Elementar-
(m
e
D 9;109 382 91.40/ 10
31
kg) ca. 1836 Mal kleiner ist
als die der Protonen und Neutronen. Ihre Aufenthaltswahr-
scheinlichkeit im Atom auf unterschiedlich weit vom Kern
entfernten konzentrischen Elektronenschalen wird durch die
Quantenmechanik beschrieben. Die Besetzung der äußeren
Elektronenschalen bestimmt die chemische Reaktionsfähig-
keit des Atoms und seine Stellung in den Gruppen des
Die verschiedenen Elemente werden nach ihrer Ladungszahl
Z unterschieden. Als Isotope werden Atome desselben Ele-
ments mit unterschiedlicher Massenzahl A bezeichnet, die
sich durch eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen un-
terscheiden. So besitzt beispielsweise Uran 92 Protonen und
seine Isotope
234
92
1
0
n
!
1
p
C
C
e
C
v
e
I
(2.1)
-
“
C
-Strahlung: Emission von Positronen e
C
mit positiver
Einheitsladung
C
e, bei dem sich ein Proton in ein Neutron
umwandelt und ein Positron und ein Elektron-Neutrino
e
emittiert werden. Das Positron rekombiniert schnell
mit einem freien Elektron und zerstrahlt in der sogenann-
ten Vernichtungsstrahlung in zwei, diametral auseinander
fliegende Gammaquanten. Dieser Zerfall vermindert die
Ladungszahl um eins und belässt die Massenzahl unver-
ändert:
1
1
p
C
!
0
n
C
e
C
C
v
e
I
(2.2)
- K-Einfang: Absorption eines Elektrons der K-Schale in
der Atomhülle eines instabilen Atomkerns. Dabei wird
ein Proton unter Emission eines Elektron-Neutrinos in ein
Neutron verwandelt. Auch hierbei entsteht starke Gamma-
Vernichtungsstrahlung. Wie der
“
C
-Zerfall vermindert
auch dieser die Ladungszahl um eins und belässt die Mas-
senzahl unverändert:
235
U,
238
U jeweils 142, 143 und 146
U,
Neutronen.
Die elektrostatische Coulomb-Kraft bewirkt eine Absto-
ßung zwischen den positiv geladenen Protonen. Sie nimmt
mit dem Kehrwert des Entfernungsquadrats ab und wirkt
somit weit über die Größe der Atomkerne hinaus. Ihr entge-
gengerichtet ist die kräftigere starke (quantendynamische)
Wechselwirkung (
nuclear force
), welche die Nukleonen
(Protonen und Neutronen) zusammenhält. Dies erfolgt auf
Kosten des beim Zusammenschluss der Teilchen messba-
ren Massenverlusts
m
D
E
=
c
2
gemäß dem einsteinschen
Äquivalenzgesetz E
D
mc
2
, wobei E die Bindungsenergie
ist und c
D 299 792 485
ms
1
die Lichtgeschwindigkeit
Wechselwirkung beträgt jedoch nur etwa
3 10
15
m, mehr
als vier Größenordnungen weniger als jene der Coulomb-
Kraft. Letztere wirkt daher zwischen allen Protonenpaaren
1
p
C
C
e
!
0
n
C
v
e
I
(2.3)
-
”
-Strahlung: Emission sehr energiereicher Photonen bzw.
elektromagnetischer, kurzwelliger (
10
10
m
6 ƒ 6
10
14
m) Strahlung bei unveränderter Ladungs- und Mas-
senzahl. Sie entsteht bei Quantenübergängen von höheren
auf niedrigere, stabilere Energieniveaus in angeregten
Atomkernen;
- dualer Zerfall: Hierbei zerfällt ein Atomkern auf zwei
verschiedene Weisen. Beispielsweise zerfällt
40
Km t
